本發(fā)明涉及毫米波單片集成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一個(gè)基于sigebicmos工藝，具有超寬耐溫范圍的高精度六位數(shù)控衰減器。

背景技術(shù)：

毫米波相控陣技術(shù)集毫米波技術(shù)和相控陣技術(shù)優(yōu)點(diǎn)于一身。一方面，毫米波具有寬頻帶、高精度、高分辨率和大信息容量。另一方面，相控陣技術(shù)有更快的波束轉(zhuǎn)向。并且可以通過陣列把來自空間中各個(gè)方向的強(qiáng)干擾抵消。它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國防、科學(xué)以及衛(wèi)星通信的系統(tǒng)中。毫米波收發(fā)前端作為相控陣技術(shù)的關(guān)鍵部件，其完備的射頻功能對(duì)相控陣的性能起決定作用。隨著毫米波相控陣技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本增加，毫米波收發(fā)前端逐漸往往單片集成發(fā)展。sigebicmos工藝不僅可以為射頻和模擬提供高性能的sigehbt工藝、并且可以為數(shù)字電路設(shè)計(jì)提供高密度集成的cmos工藝。因此基于sigebicmos工藝的毫米波收發(fā)前端單片集成電路為毫米波相控陣技術(shù)的發(fā)展必須。

作為目前收發(fā)前端的幅度控制器件的主流選擇，數(shù)控衰減器擁有優(yōu)越的線性度?；趕igebicmos工藝的半導(dǎo)體器件相較于gaas/inp/gan等工藝而言，其器件的工作結(jié)溫上升更快，加之硅基襯底熱傳導(dǎo)性不佳，制約著sigebicmos工藝器件的應(yīng)用發(fā)展。目前沒有查閱到任何一種關(guān)于如何改善數(shù)控衰減器的溫度特性的專利，本發(fā)明首次提出一個(gè)基于sigebicmos工藝，具有超寬耐溫范圍的高精度六位數(shù)控衰減器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是sigebicmos工藝的半導(dǎo)體器件的不良溫度特性對(duì)數(shù)控衰減器工作性能的惡化。進(jìn)行數(shù)控衰減器的單元設(shè)計(jì)一般都會(huì)采用mos管作為每個(gè)單元切換直通態(tài)和衰減態(tài)的開關(guān)。本發(fā)明所使用的pi型衰減網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)見圖1。圖1中串聯(lián)的m1開關(guān)管在直通態(tài)下柵極電壓為高電平，并聯(lián)的m2、m3開關(guān)管為低電平，衰減態(tài)下各個(gè)開關(guān)管的柵極電壓狀態(tài)反轉(zhuǎn)。其在直通和閉合狀態(tài)下的等效電路見圖2。由圖2可知，mos管的柵極為高電平等效為一個(gè)電阻，為低電平時(shí)則等效為一個(gè)電容。圖3為mos管(柵長為120n，柵寬為100u)在柵極加載1.2v電壓，在10-20ghz頻帶里，其插入損耗與插入相位隨溫度變化的曲線。由圖3可知處于導(dǎo)通狀態(tài)的mos管的差損隨著頻率的升高而增加，隨著溫度的增加而增加；mos管的插入相位隨著頻率的增加而滯后，隨著溫度的升高而滯后。圖4為該衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減量為8db時(shí)，衰減量和附加相移隨溫度變化的曲線。由圖4可知，受限于mos管的溫度特性，衰減器的衰減量從7db到8.8db之間波動(dòng)，附加相移從-2deg到1.5deg之間波動(dòng)，其工作狀態(tài)很不穩(wěn)定。因此，對(duì)單片數(shù)控衰減器設(shè)計(jì)者而言，降低mos管的溫度特性對(duì)數(shù)控衰減器的影響是一項(xiàng)很重要的工作。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：第一、提出一種電壓轉(zhuǎn)換模塊使加載在mos管的柵極電壓隨溫度變化，其電壓變化趨勢(shì)與溫度變化呈現(xiàn)正相關(guān)。第二、提出用mos管做可變電容，通過隨溫度上升其等效電容減少來減少不同溫度下的衰減附加相移。第三、在串聯(lián)支路上使用溫度負(fù)相關(guān)電阻，在串聯(lián)支路上使用溫度正相關(guān)電阻。

進(jìn)一步的是，所述電壓轉(zhuǎn)換模塊的原理為，利于工藝庫中與溫度變化正相關(guān)特性的電阻使其輸出電壓與溫度變化呈現(xiàn)正相關(guān)。

進(jìn)一步的是，所述電壓轉(zhuǎn)換模塊一共12條電壓輸出支路。每一條支路由兩個(gè)晶體管、一個(gè)開關(guān)管、一個(gè)隔離電阻和一個(gè)到地電阻組成。

進(jìn)一步的是，由于基于cmos工藝設(shè)計(jì)的波速控制形成電路的電壓輸出控制信號(hào)為1.2v，所述的電壓輸出支路的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓為2.5v，因此增加了升壓模塊。所述的升壓模塊由8個(gè)晶體管和一個(gè)反向器組成，輸出兩路相反的控制電壓，分別為0v和2.5v。

進(jìn)一步的是，所述的每一條電壓輸出支路的電流為固定值100ua。該電壓轉(zhuǎn)換模塊的供電電壓為2.5v。

本發(fā)明的有益效果：通過引入電壓轉(zhuǎn)換模塊和模擬到地電容的晶體管，因mos管的柵極電壓變化與其等效電阻隨溫度變化方向相反，由此降低mos管的溫度特性對(duì)數(shù)控衰減器的影響，減少了設(shè)定單元衰減量的波動(dòng)范圍，改善了衰減附加相移，使其工作性能在不同溫度下趨于穩(wěn)定。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所使用的pi型衰減網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所使用的pi型衰減網(wǎng)絡(luò)在直通和閉合狀態(tài)下的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明采用工藝中的mos管(柵長為120n，柵寬為100u)在柵極加載1.2v電壓，在10-20ghz頻帶里，其插入損耗與插入相位隨溫度變化的曲線圖；

圖4為本發(fā)明所使用的pi型衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減量為8db時(shí)，(a)衰減量和(b)附加相移在高低溫下隨頻率(14-19ghz)變化的曲線。

圖5為本發(fā)明提出的超寬耐溫范圍的高精度六位數(shù)控衰減器電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的版圖照片；

圖7為本發(fā)明具體實(shí)施的駐波特性曲線；

圖8為本發(fā)明具體實(shí)施的衰減附加相移特性曲線；

圖9為本發(fā)明具體實(shí)施的各單元的衰減精度特性曲線；

圖10為本發(fā)明具體實(shí)施的高低溫衰減量及其衰減rms特性曲線

圖5和圖6標(biāo)記說明：4db固定衰減量單元網(wǎng)絡(luò)(101)，2db固定衰減量單元(102)，0.5db固定衰減量單元(103)，1db固定衰減量單元(104)，8db固定衰減量單元(105)，16db固定衰減量單元(106)，升壓模塊(201)，電流源模塊(301)，2.5v供電電壓(401)，可變電壓轉(zhuǎn)換模塊(501)。電阻(r1-r68)，n型晶體管(q1-q40)，p型晶體管(q41-q48)，dg晶體管(dgq1-dgq10)，反相器(inverter)，端口(in、out和controlsignal)

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的說明。

如圖5所示，本發(fā)明包括一個(gè)6個(gè)不同固定衰減量單元網(wǎng)絡(luò)(101-106)，一個(gè)升壓模塊(201)和可變電壓轉(zhuǎn)換模塊(501)。電流源模塊(301)和2.5v供電電壓模塊(401)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。

其中所述4db固定衰減量單元網(wǎng)絡(luò)(101)由衰減電阻(r33、r34和r37)、隔離電阻(r31、r35)、襯底隔離電阻(r32和r36)、開關(guān)管(q21和q22)和模擬到地電容管(q23)組成。

其中所述2db固定衰減量單元網(wǎng)絡(luò)(102)由衰減電阻(r40、r41和r44)、直流隔離電阻(r38、r43)、襯底隔離電阻(r39和r42)、開關(guān)管(q24和q25)和模擬到地電容管(q26)組成。

其中所述0.5db固定衰減量單元網(wǎng)絡(luò)(103)由衰減電阻(r45)、直流隔離電阻(r47)、襯底隔離電阻(r46)、開關(guān)管(q27)和模擬到地電容管(q28)組成。

其中所述1db固定衰減量單元網(wǎng)絡(luò)(104)由衰減電阻(r50)、直流隔離電阻(r49)、襯底隔離電阻(r48)、開關(guān)管(q29)和模擬到地電容管(q30)組成。

其中所述8db固定衰減量單元網(wǎng)絡(luò)(105)由衰減電阻(r54、r56和r59)、直流隔離電阻(r51、r55和r58)、襯底隔離電阻(r52、r54和r57)、開關(guān)管(q31、q32和q33)和模擬到地電容管(q34和q35)組成。

其中所述16db固定衰減量單元網(wǎng)絡(luò)(106)由衰減電阻(r62、r65和r68)、直流隔離電阻(r60、r64和r67)、襯底隔離電阻(r61、r63和r66)、開關(guān)管(q36、q37和q39)和模擬到地電容管(q38和q40)組成。

其中所述升壓模塊(201)由反相器(inverter)、nfet管(q41-q44)和pfet管(q45-48)組成，一個(gè)七個(gè)相同的升壓模塊，所述可變電壓轉(zhuǎn)換模塊(501)由穩(wěn)流fet管(q1-q20)、控制電壓變化溫度電阻(r1-r0)和直流隔離電阻(r21-r30)組成。

在圖5所示的in端接50歐姆匹配端口作輸入端，out端50歐姆匹配端口作輸出端，在cpu中輸入控制信號(hào)到controlsignal端口，升壓模塊把控制信號(hào)電壓抬高到2.5v，控制電壓變換模塊(501)把2.5v電壓變成與溫度正相關(guān)的可變電壓，可變電壓控制衰減網(wǎng)絡(luò)(101-106)的開關(guān)管進(jìn)行衰減態(tài)和直通態(tài)的切換。

如圖7-圖10所示，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為15-18ghz時(shí)候，對(duì)6位衰減器的控制電壓進(jìn)行64個(gè)狀態(tài)掃描(開啟為1，關(guān)閉為0，0.5db為第一位，依次排序到第六位，狀態(tài)編碼為000000到111111)，在溫度范圍為-55℃～125℃，其輸出信號(hào)的s21的附加相移在±4°，端口駐波優(yōu)于10db，衰減rms(均方根誤差)小于0.8db，0.5db單元衰減精度為優(yōu)于0.1db，0.5db單元衰減精度為優(yōu)于0.07db，1db單元衰減精度為優(yōu)于0.01db，2db單元衰減精度為優(yōu)于0.08db，0.2db單元衰減精度為優(yōu)于0.1db，8db單元衰減精度為優(yōu)于0.53db，16db單元衰減精度為優(yōu)于0.78db。因此可見，該發(fā)明能改善半導(dǎo)體器件不良溫度特性對(duì)數(shù)控衰減器的影響，在毫米波相控陣領(lǐng)域有極大的應(yīng)用價(jià)值。